DE4125952A1 - Optische ablenkeinheit mit intensitaetsabhaengigem reflexionsvermoegen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Ablenkeinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

CO₂-Laser mit mittleren, heute gängigen Leistungsstärken sind in der Lage, IR-Detektoren, z. B. in Wärmebildgeräten zu blenden oder zu zerstören. Ein Schutz ist mit herkömmlichen Filtern nicht oder nur mit erheblicher Empfind­ lichkeitseinbuße möglich, da die Betriebsfrequenzen des CO₂-Lasers im Ma­ ximum der Umgebungsstrahlung liegen.

Eine Gegenmaßnahme könnte im Einsatz sehr schmalbandiger selektiver Fil­ ter bestehen, welche die Laserstrahlung wirksam abhalten, ohne die Empfind­ lichkeit des Wärmebildgeräts zu beeinträchtigen. Die Methode erscheint prak­ tikabel, solange die Bedrohung sich auf einige diskrete Frequenzen be­ schränkt, würde jedoch bei durchstimmbaren Lasern, also solchen, deren Fre­ quenz innerhalb gewisser Grenzen verändert werden kann, versagen.

Eine universelle Lösungsmöglichkeit liegt in der Verwendung eines Filters oder einer Blende mit intensitätsabhängiger Durchlässigkeit, also eines opti­ schen Leistungsbegrenzers. Vorrichtungen, welche einen äußeren Regelme­ chanismus einsetzen, scheiden jedoch wegen der langen Totzeiten zumin­ dest als Primärschutz aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Vorrichtung mit intensitätsabhän­ giger Durchlässigkeit zu schaffen, die ohne äußeren Regelmechanismus ar­ beitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine optische Ablenkein­ heit mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße optische Ablenkeinheit weist innerhalb eines interes­ sierenden Frequenzbereichs eine von der Intensität der einfallenden Strah­ lung abhängiges Reflexionsvermögen auf. Dazu werden auf ein optisches Element (z. B. ein Prisma) mit mindestens einer ebenen Grenzfläche, an wel­ cher die Ablenkung geschieht, zwei übereinanderliegende Schichten aufge­ bracht, wobei eine Schicht (aktive Schicht) aus einem Material besteht, des­ sen Realteil der dielektrischen Funktion im interessierenden Frequenzintervall negativ ist, und die andere Schicht (Dispersionsschicht) aus einem Material besteht, dessen Brechungsindex im interessierenden Frequenzintervall stark temperaturabhängig ist.

Grundlage der Erfindung ist die Ausnutzung der Resonanzeigenschaften von Oberflächenplasmonen, die sich an der Oberfläche der aktiven Schicht aus­ breiten. Diese Resonanzeigenschaften werden durch die optischen Eigen­ schaften der Dispersionsschicht, die der aktiven Schicht benachbart ist, we­ sentlich beeinflußt.

Die Dispersionsschicht besteht aus einem Material, dessen Brechungsindex stark temperaturabhängig ist (thermorefraktives Material). Da die Dispersions­ schicht beim Einfall hoher Strahlungsintensitäten erwärmt wird, wird sich folg­ lich auch deren Brechungsindex stark ändern. Dies führt zu einer Änderung der Plasmonenresonanzeigenschaften, die ihrerseits eine Änderung des Re­ flexionsvermögens nach sich zieht.

Die Dispersionsschicht ist mikroskopisch dünn, im nm/µm-Bereich, so daß de­ ren Erwärmung und die angestrebte Änderung des Reflexionsvermögens sehr schnell geschehen kann.

Die hier skizzierten physikalischen Zusammenhänge und die daraus folgen­ den Ausbildungen der Erfindung werden anhand von Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine optische Ablenkeinheit, mit der Oberflächenplasmonen nach der Methode der abgeschwächten Totalreflexion (ATR) erzeugt werden so­ wie eine graphische Darstellung des Reflexionsvermögens dieser Ab­ lenkeinheit in Abhängigkeit vom Einfallswinkel (ATR-Spektrum)

Fig. 2 zwei Ausbildungen der erfindungsgemäßen Ablenkeinheit

Fig. 3 das ATR-Spektrum einer optischen Ablenkeinheit nach Fig. 1 für drei unterschiedliche Materialien der aktiven Schicht

Fig. 4 die graphische Darstellung des Reflexionsvermögens in Abhängigkeit vom Einfallswinkel einer erfindungsgemäßen Ablenkeinheit

Fig. 5 die Verwendung zweier erfindungsgemäßer Ablenkeinheiten nach Fig. 4 zum Schutz eines Wärmebildgeräts gegen den Einfall ho­ her Strahlungsintensitäten.

Oberflächenplasmonen (SPP, surface plasmon polariton) sind eine spezielle Form einer elektromagnetischen Schwingung, welche an der Grenzfläche zwischen einem Dielektrikum und einem Metall auftreten kann. Da eine einfal­ lende Strahlung an Oberflächen nicht direkt in die SPP-Mode einkoppeln kann, sind besondere Anordnungen erforderlich, wie z. B. die in Fig. 1a sche­ matisch dargestellte Anordnung nach der Methode der "abgeschwächten To­ talreflexion" (ATR).

Fig. 1a zeigt ein Prisma P, auf dessen Basisfläche eine dünne Metallschicht AS (im Bereich von µm) aufgebracht ist. Die Dicke der Metallschicht AS ist ge­ genüber der Höhe des Prismas P übertrieben dick gezeichnet. Eingezeichnet ist ein einfallender Strahl, der an der Basisfläche des Prismas P abgelenkt wird. Der Winkel ϕ bezeichnet den Einfallswinkel des Lichtstrahls.

Der berechnete Reflexionsgrad als Funktion des Einfallswinkels ϕ ist in Fig. 1b aufgetragen. Er kann Werte zwischen 0 und 1 annehmen, wobei bei ei­ nem Wert von 1 sämtliche einfallende Strahlung reflektiert wird.

Er zeigt bei kleinen Winkeln zunächst den gewohnten Anstieg bis zum Winkel der Totalreflexion ϕ_g, bei dem das einfallende Licht annähernd vollständig reflektiert wird. Durch die Anregung der SPP-Mode (Erzeugung von Oberflä­ chenplasmonen) kommt es bei einem Winkel ϕ_p<ϕ_g zu einer fast vollstän­ digen Absorption. Bemerkenswert ist der sehr steile Anstieg von der Totalre­ flexion zur Totalabsorption über einen engen Winkelbereich.

Voraussetzung für die Anregung der SPP-Mode ist, daß das Licht p-polarisiert ist, der elektrische Feldvektor also parallel zur Einfallsebene schwingt.

Die SPP-Schwingung ist an der äußeren Grenzfläche der für die Oberflächen­ plasmonen aktiven Metallschicht lokalisiert. Grundlegend für die Erfindung ist die Erkenntnis, daß mit einer weiteren Schicht (Dispersionsschicht), welche an diese Grenzfläche anschließt, sich das Resonanzverhalten, insbesondere der Winkel ϕ_p, empfindlich beeinflussen läßt, weil die Existenz und das Aus­ breitungsverhalten der SPP-Schwingung stark von den optischen Konstanten, z. B. der Dielektrizitätskonstanten ε, dieser Schicht abhängt.

Fig. 2 zeigt zwei mögliche Ausbildungen der erfindungsgemäßen Ablenkein­ heit. In Fig. 2a ist die aktive Schicht AS direkt auf dem Einkoppelprisma P auf­ gebracht. Darauf ist die Dispersionsschicht DS aufgebracht. Beide Schichten AS,DS sind mikroskopisch dünn. Ihre Schichtdicken liegen im Bereich von nm/µm. Bevorzugt liegt die Dicke der aktiven Schicht AS im Bereich von 500-1500 nm, die Dicke der Dispersionsschicht DS im Bereich von 50-2000 nm.

In Fig. 2b ist die Dispersionsschicht DS direkt auf dem Einkoppelprisma auf­ gebracht. Darauf ist die aktive Schicht aufgebracht. Die Dispersionsschicht DS ist mikroskopisch dünn (im Bereich von nm/µm), die Dicke der aktiven Schicht AS dagegen kann beliebig, insbesondere makroskopisch dick sein (im Bereich von cm). Bevorzugt liegt die Dicke der Dispersionsschicht DS zwischen 1000-2000 nm.

Die Schichtdicke der mikroskopisch dünnen Schichten ist gegenüber den Abmessungen des Prismas P nicht maßstabsgerecht gezeichnet. In beiden Fällen besteht die aktive Schicht AS aus einem Material, dessen Realteil der dielektrischen Funktion in einem betrachteten Wellenlängenbereich negativ ist, während die Dispersionsschicht DS aus einem thermorefraktiven Material besteht, dessen Brechungsindex stark temperaturabhängig ist.

Da die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Ablenkeinheit auf der Aufhei­ zung der Dispersionsschicht DS aus thermorefraktivem Material durch die ein­ fallende Strahlung beruht, ist die Ausführung in Fig. 2a besonders geeignet, da diese aufgrund der dünnen Schichten eine geringe Wärmekapazität und somit eine sehr kurze Ansprechzeit besitzt.

Bei sehr hohen eingestrahlten Leistungen wird die Ablenkeinheit stark aufge­ heizt, was zu irreversiblen Veränderungen führen kann. Deshalb sind beson­ ders temperaturfeste Materialien einzusetzen. Für bestimmte Anwendungen, z. B. als optischer Leistungsbegrenzer, kann jedoch auch eine irreversibel ar­ beitende, einmalig verwendbare Ablenkeinheit, sinnvoll eingesetzt werden. Für eine Anwendung als optischer Leistungsbegrenzer kann auch die Absorp­ tion des Prismas P als sekundäre (zeitlich versetzte) Schutzfunktion mit einbe­ zogen werden. Hierfür werden Prismenmaterialien verwendet, deren Absorpti­ onsvermögen durch die Erwärmung sich stark erhöht. Die Ansprechzeit dieser zusätzlichen Schutzfunktion ist höher, da im Gegensatz zur Erwärmung der mikroskopisch dünnen Dispersionsschicht DS der massive Prismenkörper er­ wärmt werden muß.

Die Ausführung in Fig. 2b bietet durch die massive aktive Schicht günstige Voraussetzungen, um hohe Strahlungsleistungen durch aktive Kühlung wirk­ sam abzuführen.

Abhängig vom Wellenlängenbereich, in dem die erfindungsgemäße Ablenk­ einrichtung verwendet werden soll, sind die Materialien für die aktive Schicht und die Dispersionsschicht zu wählen. Ein besonders interessierender Wel­ lenlängenbereich ist dabei der Bereich zwischen etwa 1 und 20 µm Wellen­ länge. In diesen Bereich fallen z. B. die atmosphärischen Fenster (ca. 3-5 µm) und (ca. 8-12 µm) sowie die Wellenlänge des CO₂-Lasers (10,6 µm). Ablen­ keinheiten, die für diesen Wellenlängenbereich ausgelegt sind, können vor al­ lem zum Schutz von IR-Detektoren, z. B. in Wärmebildgeräten gegen den Ein­ fall hoher Strahlungsintensitäten verwendet werden.

Für die aktive Schicht kommen Materialien zur Anwendung, deren Realteil Re ε der dielektrischen Funktion im interessierenden Wellenlängenbereich, hier also zwischen 1 und 20 µm, negativ ist. Grundsätzlich erfüllen alle Metalle aufgrund ihrer hohen Konzentration an freien Ladungsträgern diese Bedin­ gung. Die Berechnung des ATR-Spektrums (vgl. Abb. 1) zeigt jedoch, daß auf­ grund der großen Werte des Absolutbetrags |Re ε| für diese Metalle der Win­ kelbereich, in dem das Oberflächenplasmon angeregt wird, kleiner als ein Zehntel Grad beträgt. |Re ε| wird kleiner und damit der Winkelbereich größer, wenn die Zahl der freien Ladungsträger reduziert wird, indem z. B. Metallparti­ kel in ein Dielektrikum eingelagert werden, sogenannte Cermet-Materialien oder hochdotierte Halbleitermaterialien verwendet werden, bei denen die Plasmafrequenz der freien Ladungsträger nahe der CO₂-Laserwellenlänge liegt.

Im Infrarot-Spektralbereich zeigen einige Dielektrika einen Bereich ("Rest­ strahlenbande"), in dem Re ε<-1, |Re ε| jedoch wesentlich kleiner als bei Metallen ist. Beispiel solcher Materialien, die für den betrachteten Wellenlän­ genbereich von 1-20 µm verwendet werden können, sind Quarz, Al₂O₃, BeO oder AIN. Fig. 4 zeigt den berechneten winkelabhängigen Verlauf der ATR für ein ZnSe-Prisma (ε= 5,78) und einer 1,2 µm dicken aktiven Schicht, für die verschiedene typische Werte der dielektrischen Funktion bei einer Wellenlän­ ge von 10,6 µm angenommen sind. Die Winkelbreite der Plasmon-Resonanz (der Winkelbereich, in dem die Reflexion stark absinkt) ist dabei größer als vier Grad.

Für die Dispersionsschicht werden thermorefraktive Materialien benötigt, die eine starke Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex im betrachteten Wellenlängenbereich, hier zwischen 1-20 µm aufweisen. Dafür können Ma­ terialien eingesetzt werden, die einen starken Temperaturgang des Bre­ chungsindex aufweisen. Besonders geeignet aber sind Materialien, die auf­ grund einer Phasenumwandlung bei einer geeigneten Temperatur eine sprunghafte Änderung im Brechungsindex aufweisen, wie z. B. Flüssigkristal­ le, Vanadiumoxid VO₃. Dabei kann durch die Wahl eines Materials mit ent­ sprechender Umwandlungstemperatur die Einsatzschwelle der Ablenkeinheit an die Toleranzgrenze eines zu schützenden IR-Detektors angepaßt werden.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Ablenkeinheit wird im folgenden anhand einer konkreten Ausführungsform für den Wellenlängenbereich zwi­ schen 1-20 µm noch einmal im Detail erläutert.

Die betrachtete Ablenkeinheit besteht aus einer Anordnung, wie in Fig. 2a gezeigt. Das Prisma besteht aus KBr mit einer Dielektrizitätskonstante ε von 2,33, die aktive Schicht aus einem Material, in dessen Reststrahlenbande ε=-4+i 0,2 (komplexe Dielektrizitätskonstante ε, imaginäre Einheit i) beträgt (ε-Werte jeweils für eine Wellenlänge λ=10,6 µm). Als Dispersionschicht wird VO₂ verwendet, das nahe 67°C einen Halbleiter-Metall-Phasenüber­ gang zeigt, der z. B. bei λ=3,4 µm eine Änderung der Dielektrizitätskonstante von ε=7,62+i 0,11 (Halbleiter) zu ε=-13,6+i 21,1 (Metall) bewirkt.

Die Dicke der aktiven Schicht beträgt 0,6 µm, die Dicke der Dispersions­ schicht 60 nm.

Die Fig. 4 zeigt das Reflexionsvermögen der Ablenkeinheit in Abhängigkeit von Einfallswinkel ϕ der einfallenden Strahlung aus dem betreffenden Wellen­ längenbereich.

Die durchgezogene Linie stellt dabei das Reflexionsvermögen bei kleinen Lichtintensitäten dar, durch die die Oberflächenschichten der Ablenkeinheit gar nicht oder nur schwach durch die einfallende Strahlung erwärmt werden und folglich das VO₂ sich im halbleitenden Zustand befindet. Die Plasmonen­ resonanz ist nur schwach ausgeprägt, die maximale Absorption (minimale Re­ flexion) liegt bei einem Einfallswinkel ϕ von etwa 52 Grad.

Die gestrichelte Linie zeigt das Reflexionsvermögen bei Einfall von starker Lichtintensität, durch die die Oberflächenschichten der Ablenkeinheit stark er­ wärmt werden. Die Erwärmung hat eine Phasenumwandlung des VO₂ in den metallischen Zustand mit einer entsprechenden Änderung der Dielektrizitäts­ konstante ε zur Folge. Die Plasmonenresonanz ist sehr stark ausgeprägt und der Reflexionsgrad liegt bei einem Einfallswinkel ϕ von 46° annähernd bei Null, d. h. sämtliche eingestrahlte Energie wird durch die Erzeugung von Ober­ flächenplasmonen absorbiert.

Wählt man einen festen Einfallswinkel ϕ von 46°, so beträgt das Reflexions­ vermögen beim Einfall schwacher Lichtintensität (Punkt P1) etwa 88%. Bei hohen Lichtintensitäten dagegen erhält man ein annähernd verschwindendes Reflexionsvermögen (Punkt P2).

In Fig. 5 ist ein Strahlengang dargestellt, in dem zwei Ablenkeinheiten AL1, AL2 der mit Hilfe von Fig. 4 beschriebenen Art zum Schutz eines IR-De­ tektors gegen den Einfall hoher Strahlungsintensitäten verwendet werden. Die einfallende Strahlung passiert einen Polarisator P, wird im weiteren an den beiden identischen Ablenkeinheiten AL1, AL2 abgelenkt und erreicht da­ nach erst den IR-Detektor D. Der Polarisator P läßt nur solche Strahlung durch, deren Vektor der elektrischen Feldstärke parallel zur Einfallsebene be­ züglich der Reflexion an den beiden nachfolgenden Ablenkeinheiten AL1, AL2 schwingt. Die Ablenkeinheiten AL1, AL2 sind gegenüber dem einfal­ lenden Strahl so angeordnet, daß bei der Ablenkung an jeder der beiden Ab­ lenkeinheiten AL1, AL2 der Einfallswinkel ϕ jeweils 46° beträgt. Wie in der Be­ schreibung zu Fig. 4 erläutert, ist bei diesem Winkel ϕ die Absorption beim Einfall intensiver Strahlung, z. B. CO₂-Laserstrahlung, am stärksten, wäh­ rend weniger intensive Strahlung fast vollständig reflektiert wird, und somit zum IR-Detektor gelangt.

Claims (9)

1. Optische Ablenkeinheit, deren Reflexionsvermögen innerhalb eines inter­ essierenden Wellenlängenbereichs abhängig ist von der Intensität der ein­ fallenden Strahlung, gekennzeichnet durch ein optisches Element (P), z. B. ein Prisma, mit mindestens einer ebenen Grenzfläche, an welcher die Ablenkung geschieht und auf der zwei übereinanderliegende Schich­ ten (AS, DS) aufgebracht sind, wobei eine Schicht (aktive Schicht) (AS) aus einem Material besteht, dessen Realteil der dielektrischen Funktion im interessierenden Frequenzintervall negativ ist, und die andere Schicht (Dispersionsschicht) (DS) aus einem Material besteht, dessen Brechungs­ index im interessierenden Frequenzintervall stark temperaturabhängig ist.

2. Optische Ablenkeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (AS) auf die ebene Grenzfläche aufgebracht ist und auf die aktive Schicht (AS) die Dispersionsschicht (DS) aufgebracht ist.

3. Optische Ablenkeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der aktiven Schicht (AS) im Bereich von 500 nm bis 1500 nm und die Schichtdicke der Dispersionsschicht (DS) im Bereich von 50-2000 nm liegt.

4. Optische Ablenkeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersionsschicht (DS) auf die ebene Grenzfläche aufgebracht ist und auf die Dispersionsschicht (DS) die aktive Schicht (AS) aufgebracht ist.

5. Optische Ablenkeinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Dispersionsschicht (DS) im Bereich von 1000- 2000 nm liegt.

6. Optische Ablenkeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, der interessierende Wellenlängenbereich zwi­ schen 1 und 20 µm liegt, das Material für die aktive Schicht (AS) ein Cer­ met-Material (z. B. Cu in KBr oder in Ge) oder ein hochdotierter Halbleiter (z. B. Si, Ge, In₂O₃ : SnO₂(=ITO) oder ein Dielektrikum (z. B. Quarz, Al₂O₃, BeO, AIN) ist und das Material für die Dispersionsschicht (DS) ein Flüssigkristall oder ein Stoff mit einem Halbleiter-Metall-Übergang (z. B. VO₂) ist.

7. Optische Ablenkeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch

• - ein Prisma (P) aus KBr als optisches Element, an dessen Grundseite die Ablenkung geschieht
• - einer auf der Grundseite des Prismas (P) aufgebrachten aktiven Schicht (AS) aus Al₂O₃ mit einer Schichtdicke von 0,6 µm
• - einer auf der aktiven Schicht (AS) aufgebrachten Dispersionsschicht (DS) aus VO₂ mit einer Schichtdicke im Bereich von 60 nm.

8. Optischer Leistungsbegrenzer nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (P) aus einem Material besteht, dessen Absorptionsvermögen mit steigender Tempe­ ratur stark zunimmt.

9. Verwendung einer optischen Ablenkeinheit nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche zum Schutz von IR-Detektoren (z. B. in Wärme­ bildgeräten) gegen den Einfall hoher Strahlungsintensitäten.